柳玲林, 汪敦飛, 黃明田, 肖清鐵, 2, 游 武, 錢(qián) 鑫, 鄭新宇, 2, 林瑞余, 2**

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/福建省農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程與安全監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福州 350002; 2. 福建農(nóng)林大學(xué)作物生態(tài)與分子生理學(xué)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福州 350002)

稻米鎘污染嚴(yán)重威脅我國(guó)糧食安全, 鎘污染土壤是稻米鎘污染的重要來(lái)源。如何修復(fù)鎘污染稻田已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。微生物修復(fù)是一種利用特定的微生物降低土壤中有害污染物活性或使污染物降解成無(wú)害物質(zhì)的修復(fù)技術(shù), 具有耗資少、操作簡(jiǎn)單且不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn), 被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的土壤修復(fù)技術(shù)之一。陸仲煙等發(fā)現(xiàn)伯克氏菌(sp.) D54能顯著提高水稻()的耐鎘能力, 降低水稻地上部鎘含量。何小三等利用銅綠假單胞菌()菌劑進(jìn)行水稻鎘污染修復(fù)試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)添加菌劑處理后水稻‘PI312777’根、莖鞘、葉鎘含量分別顯著降低17.2%～41.2%、1.4%～59.9%和31.1%～62.6%。Li等在鎘污染土壤中接種耐鎘芽孢桿菌() H3和根瘤菌() T1-17, 發(fā)現(xiàn)菌株通過(guò)降低鎘的生物有效性使土壤水溶性鎘降低79.0%～96.0%, 稻米鎘含量降低45.0%～72.0%。汪敦飛等研究發(fā)現(xiàn), 銅綠假單胞菌通過(guò)提高水稻根系活力、增強(qiáng)水稻光合作用和抗氧化酶活性, 促進(jìn)了苗期水稻的生長(zhǎng)。Wang等應(yīng)用假單胞菌TCd-1處理鎘污染下具有強(qiáng)化感作用的水稻‘PI312777’, 發(fā)現(xiàn)接種菌株后水稻根、莖、葉和糙米的鎘含量均顯著降低, 改變了土壤酶活性和鎘的生物有效性。文歡歡等將假單胞菌TCd-1接種到10 mg?kg鎘處理的高鎘耐性水稻‘特優(yōu)671’和低鎘耐性水稻‘百香139’中, 發(fā)現(xiàn)該菌通過(guò)提高水稻根系活力和光合作用, 促進(jìn)了水稻的生長(zhǎng), 并顯著降低分蘗期、抽穗期、成熟期水稻各部位的鎘含量, 且不同鎘耐性水稻品種間存在明顯的差異。但假單胞菌TCd-1影響不同鎘耐性水稻鎘吸收及其根際過(guò)程的機(jī)理尚不清楚。為此, 本研究將從假單胞菌TCd-1菌株影響水稻根際土壤酶活性、鎘生物有效性的角度, 闡明菌株降低不同鎘耐性水稻鎘吸收的根際微生態(tài)機(jī)制, 以期為其應(yīng)用菌株修復(fù)鎘污染水稻提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

高鎘耐性水稻品種‘特優(yōu)671’(TY)和低鎘耐性水稻品種‘百香139’(BX)均為課題組前期從近年我國(guó)主栽的238份水稻品種中篩選得到。供試菌株假單胞菌TCd-1為課題組前期從水稻根際土壤篩選得到的耐鎘菌株(專(zhuān)利號(hào): CN103952333A)。菌懸液培養(yǎng)條件: 牛肉膏0.5%, 酵母粉1.0%, 氯化鎂0.5%, pH 6.3, 溫度33 ℃, 接菌量1.25%, 轉(zhuǎn)速160 rpm, 培養(yǎng)24 h后用于接種。接種前取菌懸液100 mL在4 ℃、12 000 rpm下離心15 min, 去上清液, 菌株沉淀物用無(wú)菌水稀釋至100 mL, 稀釋后的菌液濃度測(cè)定為(5.33±0.24)×10cells?mL。盆栽土壤取自福建農(nóng)林大學(xué)水稻田, 基本理化性質(zhì)為: pH 5.8, 全氮為0.31 g?kg, 全磷為0.38 g?kg, 全鉀為0.46 g?kg, 有機(jī)質(zhì)為25.40 g?kg, 總鎘含量為0.18 mg?kg。

1.2 水稻盆栽管理與取樣

試驗(yàn)于2019年3?7月在福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院溫室中進(jìn)行。在直徑18 cm、高15 cm的塑料盆缽加入2.5 kg水稻土, 每盆施氮肥(以純N計(jì))375 mg、磷肥(以PO計(jì)) 250 mg和鉀肥(以KO計(jì)) 250 mg。土壤鎘處理采用氯化鎘(AR), 鎘處理濃度為10 mg?kg(以純鎘計(jì)), 每周混勻攪動(dòng)一次, 陳化4周后用于水稻栽培。在3葉1心期, 選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的水稻秧苗, 每盆移栽1株。待水稻返青后接種TCd-1菌株, 接種量20 mL?kg(即每千克土壤接種20 mL稀釋后的TCd-1菌液)。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理, 各處理3次重復(fù): 1) CK: 不加鎘且不接種菌株; 2) Cd: 加鎘但不接種菌株; 3) CKB: 不加鎘但接種菌株; 4) CdB: 加鎘且接種菌株。

試驗(yàn)期間定期澆水, 保持淺水2～3 cm。在水稻成熟期取樣, 取樣時(shí)將水稻整株取出, 采用抖落法采集根際土壤, 置于室內(nèi)自然風(fēng)干, 過(guò)100目篩后用于酶活性及鎘形態(tài)分析。收獲的水稻洗凈根部后將其分為根、地上部和籽粒3個(gè)部位, 分別置于烘干箱105 ℃殺青1 h后, 72 ℃烘干至恒重, 測(cè)定生物量。

1.3 根際土壤酶活性測(cè)定方法

參照《土壤酶及其研究法》, 測(cè)定土壤酸性磷酸酶(ACP)、脲酶(URE)、蔗糖酶(SUC)、纖維素酶(CUE)、過(guò)氧化氫酶(CAT)和多酚氧化酶(PPO)活性。

1.4 根際土壤鎘形態(tài)與含量的測(cè)定

土壤鎘形態(tài)提取方法參照Tessier等的5步連續(xù)提取法, 將土壤中的鎘分為可交換態(tài)(exchangeable cadmium, EXC-Cd)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(carbonate bound cadmium, Crab-Cd)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(Fe-Mn oxides bound cadmium, FeMnO-Cd)、有機(jī)結(jié)合態(tài)(organic matter cadmium, OM-Cd)以及殘?jiān)鼞B(tài)(residual cadmium, RES-Cd) 5 種形態(tài), 各提取態(tài)經(jīng)HClO-HNO消解、定容后用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定鎘含量。

1.5 水稻植株鎘含量測(cè)定

將各部位植物干樣磨成粉末狀, 稱(chēng)取0.50 g置于硬質(zhì)玻璃試管中, 采用HClO-HNO法消解樣品, 消解液經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾、定容后, 采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定鎘含量。全株鎘含量為各部位鎘含量的加權(quán)平均值, 鎘富集系數(shù)(BCF)=全株鎘含量/土壤鎘含量, 轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=地上部鎘含量/根部鎘含量, 鎘富集量=各部位的鎘含量×生物量。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016和SPSS 25.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素(One-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較(=0.05), 用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)水稻鎘含量、鎘富集量、土壤酶及土壤鎘形態(tài)進(jìn)行相關(guān)分析。利用Excel 2016和Origin 2021b軟件進(jìn)行作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 假單胞菌TCd-1對(duì)不同鎘耐性水稻品種鎘富集能力的影響

多因素方差分析表明(表1), 水稻各部位鎘含量、鎘富集量、鎘富集系數(shù)(BCF)及轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)在不同鎘耐性水稻品種(V)、鎘處理(Cd)及菌處理(B)間均存在顯著差異(<0.05), 其中BCF與菌處理和水稻品種×菌處理間無(wú)顯著相互作用, 籽粒鎘富集量與水稻品種間無(wú)顯著相互作用, 地上部和籽粒鎘富集量與水稻品種×鎘處理間無(wú)顯著的相互作用, 其余各指標(biāo)在水稻品種、鎘處理及菌處理兩兩因素及三因素間存在顯著的互作關(guān)系。

由表1可知, CK處理下, 接種菌株后水稻品種‘特優(yōu)671’各部位的鎘含量、鎘富集量和富集系數(shù)(BCF)、轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)均未發(fā)生顯著性變化; 水稻品種‘百香139’除根部鎘含量顯著提高207.27%(<0.05)外其余部位鎘含量均無(wú)顯著變化, 而根部、地上部及全株鎘富集量依次顯著提高320.05%、22.81%和36.15% (<0.05), TF顯著下降68.73% (<0.05), BCF提高6.72%。10 mg?kg鎘處理下, 接種菌株后水稻‘特優(yōu)671’根部、地上部、籽粒及全株鎘含量依次顯著下降30.49%、40.35%、28.57%、34.53%(<0.05), 鎘富集量依次下降33.72%、43.13%、29.61%、37.52% (<0.05), BCF下降35.14% (<0.05), 但對(duì)TF無(wú)顯著影響; 水稻‘百香139’根部、地上部、籽粒及全株鎘含量依次顯著下降52.20%、46.64%、39.10%、47.74% (<0.05), 鎘富集量依次下降29.80%、18.46%、0.09%、20.55% (<0.05), BCF顯著下降47.19% (<0.05), 對(duì)TF亦無(wú)顯著影響。結(jié)果表明鎘污染條件下接種菌株能顯著降低不同鎘耐性水稻品種各部位的鎘含量及鎘富集量。

表1 菌和Cd互作處理對(duì)不同鎘耐性水稻各部位鎘含量、富集系數(shù)(BCF)、轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)及鎘富集量的影響Table1 Effects of Pseudomonas TCd-1, Cd and their interaction on Cd contents, bioconcentration factor (BCF), translocation factor(TF) and Cd accumulation of different Cd-tolerant varieties of rice

2.2 假單胞菌TCd-1對(duì)水稻根際土壤酶活性的影響

多因素方差分析表明(表2), 水稻根際土壤ACP、URE、CUE、CAT活性在水稻品種、鎘處理及菌處理間均存在顯著差異(<0.05或<0.01), 且水稻品種與鎘處理、水稻品種與菌處理間均存在顯著的相互作用; 鎘處理及菌處理互作對(duì)URE和CUE活性有極顯著影響(<0.01); SUC活性在水稻品種間差異顯著, 水稻品種及鎘處理間對(duì)PPO活性存在顯著互作效應(yīng)(<0.05), 水稻品種、水稻品種×鎘處理和水稻品種×菌處理以及水稻品種×鎘處理×菌處理對(duì)SUC活性有極顯著影響(<0.01), 水稻品種×鎘處理、鎘處理×菌處理間對(duì)PPO活性存在顯著的相互作用(<0.05)?？梢?jiàn)不同鎘耐性水稻品種的根際土壤酶活性存在顯著差異, 菌和鎘處理均顯著影響兩個(gè)水稻品種的根際土壤酶活性。

由表2可知, CK處理下, 接種菌株后‘特優(yōu)671’根際土壤中ACP和CUE活性分別比CK提高13.21%和8.22% (<0.05), 其余酶活性無(wú)顯著差異; ‘百香139’根際土壤中URE活性降低38.43% (<0.05), CAT和PPO活性分別提高8.33%和9.73% (<0.05), 其余酶活性無(wú)顯著差異。

表2 菌和Cd互作處理對(duì)不同鎘耐性水稻品種根際土壤酶活性的影響Table2 Effect of Pseudomonas TCd-1, Cd and their interaction on enzymes activities in rhizosphere soil of different Cd-tolerant varieties of rice

10 mg·kg鎘處理下, ‘特優(yōu)671’根際土壤中的ACP、URE和CUE活性比CK處理分別顯著提高31.13%、23.13%和10.91% (<0.05), CAT活性降低15.22%; 與Cd處理相比, 接種菌株后ACP、URE、SUC、CUE和PPO活性分別降低7.19%、9.39%、25.53%、16.20%和11.44% (<0.05), CAT活性提高5.13% (<0.05)。Cd處理下, ‘百香139’根際土壤CAT和PPO活性比CK處理 分別顯著提高8.33%和12.20% (<0.05), ACP、URE、SUC和CUE活性分別顯著降低12.24%、19.44%、17.24%和13.29%(<0.05); 接種菌株后除PPO活性降低12.40%外(<0.05), ACP、URE、SUC、CUE和CAT活性分別提高26.74%、12.07%、62.50%、81.17%和5.13%(<0.05)。結(jié)果表明，鎘處理下6種土壤酶對(duì)兩種水稻根際土壤的響應(yīng)存在相反的差異表現(xiàn)，且添加假單胞菌TCd-1均能顯著恢復(fù)由鎘對(duì)土壤酶活性帶來(lái)的影響。

2.3 假單胞菌TCd-1對(duì)水稻根際土壤鎘形態(tài)的影響

多因素方差分析表明(表3), 水稻根際土壤中FeMnO-Cd含量在水稻品種、鎘處理及菌處理間均存在顯著的相互作用(<0.05或<0.01), EXC-Cd、Crab-Cd、FeMnO-Cd和RES-Cd含量在水稻品種間差異顯著, 鎘處理及菌處理互作對(duì)EXC-Cd、FeMnO-Cd和OM-Cd含量有顯著影響, 且鎘處理對(duì)5種形態(tài)的鎘都有極顯著的影響(<0.01), 水稻品種×鎘處理和水稻品種×菌處理以及水稻品種×鎘處理×菌處理對(duì)Crab-Cd含量有顯著影響(<0.05)。

由表3可知, CK處理下, 不同鎘耐性水稻根際土壤各種鎘形態(tài)含量及占比具有顯著差異, ‘特優(yōu)671’根際土壤EXC-Cd含量占比最大, 達(dá)47.06%; ‘百香139’根際土壤中的RES-Cd含量占比最大, 達(dá)43.75%; 接種菌株后兩種水稻根際土壤中的 5種鎘形態(tài)含量均未發(fā)生顯著性變化。在10 mg·kg鎘處理下, 接種菌株后‘特優(yōu)671’根際土壤中EXC-Cd和Crab-Cd含量分別降低15.89% (<0.05)和11.71%, 而FeMnO-Cd、OM-Cd和RES-Cd含量分別升高39.58% (<0.05)、36.11% (<0.05)和18.64%。與Cd處理相比, CdB處理下‘百香139’根際土壤中EXCCd含量降低23.81% (<0.05), 而Crab-Cd、FeMnO-Cd、OM-Cd和RES-Cd含量依次升高33.09% (<0.05)、28.81%、25.00% (<0.05)和3.30%。

表3 菌和鎘互作處理對(duì)不同鎘耐性水稻根際土壤中不同形態(tài)鎘含量的影響Table3 Effect of Pseudomonas TCd-1, Cd and their interaction on different forms of cadmium in rhizosphere soil of different Cdtolerant varieties of rice mg·kg?1

2.4 稻米鎘含量與土壤鎘形態(tài)及土壤酶活性的相關(guān)性

如圖1A所示, 在未接種菌株處理下, ‘特優(yōu)671’植株根部、地上部及籽粒的鎘含量及鎘富集量與根際土壤中EXC-Cd、Crab-Cd、FeMnO-Cd、OM-Cd、RES-Cd等5種形態(tài)鎘含量以及URE、ACP、CUE活性均呈顯著正相關(guān)(0.05), 與CAT活性呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05); ‘百香139’各部位的鎘含量及鎘富集量與根際土壤中5種形態(tài)鎘含量和PPO、CAT等酶活性均呈顯著正相關(guān)(0.05), 而與URE、ACP、SUC、CUE活性顯著負(fù)相關(guān)(0.05)。

由圖1B可知, 接種菌株后, ‘特優(yōu)671’植株根部、地上部及籽粒不同部位鎘含量和鎘富集量與5種土壤鎘形態(tài)、URE和ACP活性呈顯著正相關(guān)(0.05), 與根際土壤PPO、CAT、SUC、CUE活性呈顯著負(fù)相關(guān)(0.05); ‘百香139’各部位鎘含量及鎘富集量與根際土壤中URE、SUC、CUE活性及5種土壤鎘形態(tài)均呈顯著正相關(guān)(0.05), 而與PPO呈顯著負(fù)相關(guān)(0.05)。

圖1 高鎘耐性(上三角矩陣)和低鎘耐性(下三角矩陣)水稻接種假單胞菌TCd-1前(A)后(B)的鎘含量、鎘富集量、土壤酶活性及鎘形態(tài)的相關(guān)性Fig.1 Correlation among Cd content, Cd accumulation, soil enzyme activity and soil Cd forms contents for high Cd-tolerant rice variety ‘Teyou 671’ (upper triangular matrix) and low Cd-tolerant rice variety ‘Baixiang 139’(lower triangular matrix) before (A) and after (B) Pseudomonas TCd-1 inoculation

3 結(jié)論與討論

3.1 假單胞菌TCd-1通過(guò)降低不同鎘耐性水稻品種的鎘富集能力減輕了鎘污染

植物對(duì)鎘吸收能力主要取決于其物種特性, 同時(shí)受多種因子調(diào)控。根系是植物從土壤中吸收鎘的重要器官, 也是植物積累鎘的主要部位。研究表明, 在土壤背景條件下, 低耐性水稻品種根部和地上部的鎘含量顯著高于高耐性水稻品種, 其BCF、TF亦顯著高于高耐性水稻品種, 表現(xiàn)出更強(qiáng)的鎘吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)能力(表1); 接種假單胞菌TCd-1能夠進(jìn)一步促進(jìn)低耐性水稻品種根部的鎘吸收, 并降低TF, 但對(duì)高鎘耐性水稻品種根部的鎘吸收及TF無(wú)顯著影響(表1)。在添加鎘的處理中, 低耐性水稻品種的BCF、TF亦均顯著高于高耐性水稻品種, 地上部鎘含量顯著高于高耐性水稻品種, 表現(xiàn)出更強(qiáng)的鎘吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)能力, 但高耐性水稻品種吸收的鎘主要積累在根部(表1); 接種菌株顯著降低了不同耐性水稻品種各部位的鎘含量, 其主要作用機(jī)制是降低了鎘污染水稻的BCF, 降低了水稻根系的鎘吸收, 但對(duì)其TF無(wú)顯著影響?？梢?jiàn), 低鎘耐性水稻品種具有更高的TF, 吸收的鎘更易轉(zhuǎn)移并積累至地上部, 而高鎘耐性水稻品種吸收的鎘主要積累在根部, 兩者在應(yīng)答鎘污染上表現(xiàn)出不同的適應(yīng)對(duì)策。低鎘耐性水稻品種根部吸收的鎘轉(zhuǎn)移至地上部, 將直接降低水稻的光合作用與生長(zhǎng), 這是導(dǎo)致其鎘耐性降低的主要原因。前人研究表明, 土壤微生物能夠通過(guò)生物吸附、生物積累、沉淀、絡(luò)合和轉(zhuǎn)化等方式來(lái)緩解土壤重金屬對(duì)植物的脅迫。一些菌株可通過(guò)固定土壤中的鎘, 促進(jìn)土壤鈣、鎂等元素的淋溶, 改變土壤酶活性和鎘的生物有效性, 從而降低水稻籽粒中鎘的積累。本研究發(fā)現(xiàn), 接種假單胞菌TCd-1顯著降低了鎘污染下水稻各部位的鎘含量, 主要表現(xiàn)為降低了水稻根系對(duì)鎘的吸收, 從而抑制了水稻的鎘富集作用。表明假單胞菌TCd-1參與了水稻的鎘富集過(guò)程, 這可能與假單胞菌TCd-1既是植物根際促生菌, 兼具鎘耐性與富集能力, 能夠螯合、固定或轉(zhuǎn)化土壤的鎘, 減輕鎘毒害有關(guān)。但菌株對(duì)不同鎘耐性水稻品種根際過(guò)程的影響有待進(jìn)一步的深入研究加以闡明。

3.2 假單胞菌TCd-1通過(guò)降低土壤鎘的生物有效性抑制水稻的鎘吸收

重金屬的生物有效性是指重金屬能被生物吸收或?qū)ι锂a(chǎn)生毒性的有效性狀。重金屬在土壤中經(jīng)過(guò)絡(luò)合、吸附、凝聚、溶解、沉淀等各種化學(xué)反應(yīng)可形成各種具有不同生物有效性的賦存形態(tài)。鎘極易被植物吸收利用, 其在土壤中的賦存形態(tài)直接影響鎘的生物有效性, 其中可交換態(tài)(EXC-Cd)與碳酸鹽結(jié)合態(tài)(Crab-Cd)易直接被植物吸收利用, 鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(FeMnO-Cd)和有機(jī)物結(jié)合態(tài)(OMCd)鎘可因環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌螒B(tài), 較難被植物利用, 殘?jiān)鼞B(tài)鎘(RES-Cd)幾乎不能被植物利用。本研究發(fā)現(xiàn), 在自然背景條件下, 水稻根際土壤中各種形態(tài)的鎘含量均較低, 接種菌株對(duì)不同鎘耐性水稻品種根際土壤鎘形態(tài)均無(wú)顯著影響(表3)。鎘處理下, 低鎘耐性水稻品種根際的EXC-Cd含量遠(yuǎn)低于高鎘耐性水稻品種, 但RES-Cd含量顯著高于高鎘耐性水稻品種, 這可能與低鎘耐性水稻品種對(duì)鎘的吸收及轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng), 為適應(yīng)鎘污染環(huán)境, 通過(guò)根系分泌、螯合、沉淀等過(guò)程鈍化并抑制鎘吸收有關(guān)。接種菌株后, 高鎘耐性水稻品種根際土壤中EXC-Cd含量降低, FeMnO-Cd和OM-Cd含量提高, Crab-Cd和RES-Cd含量無(wú)顯著變化; 類(lèi)似地, 低鎘耐性水稻品種根際土壤的EXC-Cd含量降低, Crab-Cd和OM-Cd含量提高, FeMnO-Cd和RES-Cd含量無(wú)顯著變化。表明假單胞菌TCd-1可顯著降低水稻根際土壤EXCCd含量, 從而有效抑制水稻的鎘吸收。菌株亦可提高低鎘耐性水稻品種根際土壤Crab-Cd、OM-Cd含量及高鎘耐性水稻品種FeMnO-Cd、OM-Cd含量, 促進(jìn)易被植物利用的有效態(tài)向無(wú)效態(tài)轉(zhuǎn)化, 減少水稻對(duì)有效態(tài)鎘的吸收與富集, 從而降低鎘對(duì)植物的毒害。這可能與假單胞菌TCd-1的添加能提高水稻根際土壤pH, 進(jìn)而影響土壤鎘形態(tài)變化有關(guān), 也可能與植物不僅可通過(guò)分泌外源調(diào)節(jié)物質(zhì)影響土壤重金屬的賦存形態(tài), 還可利用根際微生物的氧化、還原等生物化學(xué)作用降低重金屬生物有效性, 減輕重金屬對(duì)植物和微生物自身的毒害有關(guān)。

3.3 假單胞菌TCd-1通過(guò)恢復(fù)根際土壤酶活性增強(qiáng)了水稻的耐鎘能力

土壤酶由土壤動(dòng)物、土壤微生物和植物根系共同作用產(chǎn)生, 是土壤生化反應(yīng)的催化劑, 能夠直接或間接參與重金屬的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程, 其活性受環(huán)境因子等多種因素影響。土壤URE、ACP、SUC和CUE是維持生態(tài)系統(tǒng)碳和養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程的重要水解酶, CAT和PPO則參與了土壤氧化還原反應(yīng), 與土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化、腐殖質(zhì)的形成密切相關(guān)。一些研究表明, 土壤酶活性可敏感地反映土壤理化性質(zhì)及重金屬污染程度。本研究表明, 不同鎘耐性水稻品種根際土壤酶活性對(duì)鎘污染表現(xiàn)出不同的應(yīng)答模式, 其中高鎘耐性水稻品種根際土壤中的ACP、URE、CUE活性在鎘脅迫下顯著升高, 而CAT活性顯著降低, SUC、PPO活性無(wú)顯著變化, 接種菌株后ACP、URE、SUC、CUE和PPO活性顯著下降, 而CAT活性顯著升高(表2); 低鎘耐性水稻品種根際土壤的ACP、URE、SUC和CUE活性均顯著下降, CAT和PPO活性顯著上升, 接種菌株后, ACP、URE、SUC、CUE和CAT活性顯著上升, 而PPO活性下降(表2)。由此可見(jiàn), 鎘污染能夠?qū)е滤靖H土壤酶活性發(fā)生明顯的變化, 這與重金屬能占據(jù)部分酶的活性位點(diǎn)進(jìn)而抑制酶活有關(guān), 也可能促進(jìn)酶活性位點(diǎn)與底物的配合而提升酶活。接種假單胞菌TCd-1則能夠明顯地修復(fù)因鎘污染導(dǎo)致的土壤酶活的改變, 有利于土壤物質(zhì)循環(huán)功能的恢復(fù)。土壤微生物是土壤酶的主要來(lái)源, 土壤鎘污染會(huì)通過(guò)抑制土壤微生物的生長(zhǎng), 從而影響酶的分泌與活性。外源添加有益微生物不僅可以影響土壤酶活性, 還能改變重金屬有效性及水稻的生理活性, 改善植株根際微生態(tài)環(huán)境而有利于水稻生長(zhǎng)。假單胞菌TCd-1分離自水稻根際土壤, 屬于植物根際促生菌, Qian等利用高通量16S rRNA基因測(cè)序技術(shù), 發(fā)現(xiàn)假單胞菌TCd-1顯著改變了不同鎘濃度下水稻根際細(xì)菌群落的α多樣性、群落組成和物種間的相互作用。細(xì)菌群落的變化可能有助于創(chuàng)造有利的根際微生物環(huán)境, 恢復(fù)鎘污染下對(duì)水稻根際微生物菌群結(jié)構(gòu)平衡, 促進(jìn)根際土壤生化過(guò)程, 進(jìn)而促進(jìn)水稻生長(zhǎng), 減少水稻根系對(duì)鎘的吸收?？疾焖炬k含量與土壤酶活及土壤鎘形態(tài)之間相關(guān)性可知(圖1), 接種假單胞菌TCd-1前后, 除CAT活性之外, 其余土壤酶活性與水稻各部位的鎘含量和土壤鎘形態(tài)之間的相關(guān)性變化顯著, 假單胞菌TCd-1降低水稻鎘吸收與改變其根際土壤酶活性密切相關(guān)。

4 結(jié)論

接種假單胞菌TCd-1可以顯著降低10 mg?kg鎘污染水稻根部、地上部、籽粒等部位的鎘含量, 且顯著影響了不同鎘耐性水稻品種的鎘吸收富集特性, 低鎘耐性水稻品種的Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)變化較高鎘耐性水稻品種更顯著。接種假單胞菌TCd-1降低鎘的生物有效性, 并恢復(fù)鎘污染土壤中的土壤酶活性, 進(jìn)而有效緩解土壤中鎘的毒害作用, 降低水稻各部位對(duì)鎘的吸收和積累, 最終降低水稻的鎘含量。